小編給大家分享一下Linux內(nèi)核設備驅(qū)動之內(nèi)存管理的示例分析，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

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 * linux的內(nèi)存管理
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到目前為止，內(nèi)存管理是unix內(nèi)核中最復雜的活動。我們簡單介紹一下內(nèi)存管理，并通過實例說明如何在內(nèi)核態(tài)獲得內(nèi)存。

(1)各種地址

對于x86處理器，需要區(qū)分以下三種地址：

*邏輯地址(logical address)

只有x86支持。每個邏輯地址都由一個段(segment)和一個偏移量(offset)組成，偏移量指明了從段的開始到實際地址之間的距離。

邏輯地址共48位，段選擇符16位，偏移量32位。linux對邏輯地址的支持很有限

*線性地址(linear address)

也稱為虛擬地址(virtual address)。

32位無符號整數(shù)，從0x0000,0000到0xffff,ffff，共4GB的地址范圍。無論是應用程序還是驅(qū)動程序，我們在程序中使用的地址都是虛擬地址。

*物理地址(physical address)

32位無符號整數(shù)，與從CPU的地址引腳發(fā)送到存儲器總線上的電信號相對應。用于存儲器尋址。

找一個程序，如scanf.c，運行兩個，然后執(zhí)行下面指令觀察：

$>pmap $(pid)
$>cat /proc/$(pid)/maps

(2)物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存

a.物理內(nèi)存

就是系統(tǒng)中實際存在的RAM，比如我們常說的一條256兆RAM。x86處理器和物理內(nèi)存之間是通過實際的物理線路連接的。

另外，x86處理器還通過主板連接了很多的外設，這些外設也通過實際的物理線路和處理器相連。

對于處理器來說，多數(shù)的外設和RAM的訪問方式是一致的，都是由程序發(fā)出物理地址訪問實際的物理器件。

外設和RAM共享一個4G大小的物理內(nèi)存空間。

b.虛擬內(nèi)存

是在物理內(nèi)存之上為每個進程構架的一種邏輯內(nèi)存，處于應用程序的內(nèi)存請求與硬件內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit, MMU) 之間.MMU將應用程序使用的虛擬內(nèi)存根據(jù)預先定義好的頁表轉化為物理地址，然后通過物理地址對實際的外設或RAM進行訪問。

虛擬內(nèi)存有很多用途和優(yōu)點：

• *若干個進程可以并發(fā)地執(zhí)行

• *應用程序所需內(nèi)存大于物理內(nèi)存時也可以運行

• *程序只有部分代碼裝入內(nèi)存時進程可以執(zhí)行它

• *允許每個進程訪問可用物理內(nèi)存的一個子集

• *進程可以共享庫函數(shù)或程序的一個單獨內(nèi)存映像

• *程序是可重定位的，也就是說，可以把程序放在物理內(nèi)存的任何地方

• *編程者可以編寫與機器無關的代碼，不必關心物理內(nèi)存的組織結構

(3)RAM的使用

linux將實際的物理RAM劃分為兩部分使用，其中若干兆字節(jié)專門用于存放內(nèi)核映像(也就是內(nèi)核代碼和內(nèi)核靜態(tài)數(shù)據(jù)結構)，RAM的其余部分通常由虛擬內(nèi)存系統(tǒng)來處理，并用在以下3種可能的方面：

• *滿足內(nèi)核對緩存，描述符和其他動態(tài)內(nèi)核數(shù)據(jù)結構的請求

• *滿足進程對一般內(nèi)存區(qū)的請求及對文件內(nèi)存映射的請求

• *借助于高速緩存從磁盤及其他緩沖設備獲得較好的性能

虛擬內(nèi)存必須解決的一個主要問題是內(nèi)存碎片，因為通常內(nèi)核使用連續(xù)的物理內(nèi)存，所以碎片過多可能導致請求失敗。

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 * 在內(nèi)核中獲取內(nèi)存
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和在用戶空間中一樣，在內(nèi)核中也可以動態(tài)分配和釋放內(nèi)存，但受到的限制要比用戶空間多一些。

(1)內(nèi)核中的內(nèi)存管理

內(nèi)核把物理頁作為內(nèi)存管理的基本單位。這主要是因為內(nèi)存管理單元(MMU)是以頁為單位進行虛擬地址和物理地址轉換的，從虛擬內(nèi)存的角度來看，頁就是最小單位。大多數(shù)32位體系結構支持4KB的頁。

a.頁

內(nèi)核用struct page表示系統(tǒng)中的每個物理頁。

包括就可以使用page，其實際定義在

struct page{
 page_flags_t flags;
 atomic_t _count;
 atomic_t _mapcount;
 unsigned long private;
 struct address_space *mapping;
 pgoff_t index;
 struct list_head lru;
 void *virtual;
};

flags用于存放頁的狀態(tài)，定義在，狀態(tài)包括頁是不是臟的，是不是被鎖定在內(nèi)存中等等。_count存放頁的引用計數(shù)。

page結構與物理頁相關，并非與虛擬頁相關。結構的目的再于描述物理內(nèi)存本身，而不是其中的數(shù)據(jù)。

內(nèi)核根據(jù)page結構來管理系統(tǒng)中所有的頁，內(nèi)核通過page可以知道一個頁是否空閑(也就是頁有沒有被分配)。

如果頁已經(jīng)被分配，內(nèi)核還需要知道誰擁有這個頁。

擁有者可能是用戶空間進程，動態(tài)分配的內(nèi)核數(shù)據(jù)，靜態(tài)內(nèi)核代碼，或頁高速緩存等。

系統(tǒng)中的每個物理頁都要分配這樣一個結構。如果結構體40字節(jié)大小，則128MB物理內(nèi)存(4K的頁)需要分配1MB多用于page結構。

b.區(qū)

由于硬件的限制，內(nèi)核不能對所有的頁一視同仁。內(nèi)核使用區(qū)(zone)對具有相似特性的頁進行分組。這些特性包括：

• *一些硬件只能用某些特定的內(nèi)存地址來執(zhí)行DMA

• *一些體系結構其內(nèi)存的物理尋址范圍遠大于虛擬尋址范圍，這樣，就有一些內(nèi)存不能永久地映射到內(nèi)核空間

針對這些限制，linux采用了三種區(qū)()：

• ZONE_DMA:這個區(qū)包含的頁能執(zhí)行DMA操作

• ZONE_NORMAL：這個區(qū)包含的都是能正常映射的頁

• ZONE_HIGHMEM：這個區(qū)包含高端內(nèi)存(大于896M)，其中的頁不能永久地映射到內(nèi)核的地址空間

對于x86，這3個區(qū)對于的物理內(nèi)存分別是：

• ZONE_DMA: <16MB

• ZONE_NORMAL： 16~896MB

• ZONE_HIGHMEM： >896MB

見中的struct zone。

系統(tǒng)中只有3個這樣的區(qū)結構。

(2)頁分配

內(nèi)核是使用頁進行內(nèi)存管理的，因此，我們在內(nèi)核中也可以要求系統(tǒng)以頁為單位給我們分配內(nèi)存。當然，以頁為單位分配可能造成內(nèi)存浪費，因此，只有在我們確定需要整頁內(nèi)存時才調(diào)用他們。

a.分配

#include 
1. struct page * alloc_pages(
    unsigned int gfp_mask, 
    unsigned int order);
//分配2的order次方個連續(xù)的物理頁。
2. void *page_address(
    struct page *page);
//返回一個指針，指向給定物理頁當前的虛擬地址
3. unsigned long __get_free_pages(
    unsigned int gfp_mask, 
    unsigned int order);
//相當于上兩個函數(shù)結合
4. struct page * alloc_page(
    unsigned int gfp_mask);
5. unsigned long __get_free_page(
    unsigned int gfp_mask);
6. unsigned long get_zeroed_page(
    unsigned int gfp_mask);
//只分配一頁

b.gfp_mask標志

這個標志決定了內(nèi)核在分配內(nèi)存時的行為，以及從哪里分配內(nèi)存。

#include 
#define GFP_ATOMIC
//原子分配，不會休眠，可用于中斷處理。
#define GFP_KERNEL 
//首選，內(nèi)核可能會睡眠，用在進程上下文中

c.釋放頁

void __free_pages(struct page *page,
    unsigned int order);
void free_pages(unsigned long addr,
    unsigned int order);
void free_page(unsigned long addr);

注意！只能釋放屬于你的頁。錯誤的參數(shù)可能導致內(nèi)核崩潰。

(3)通過kmalloc獲取內(nèi)存

kmalloc和malloc很象，是內(nèi)核中最常用的內(nèi)存分配函數(shù)。

kmalloc不會對分配的內(nèi)存區(qū)域清0，分配的區(qū)域在物理內(nèi)存中是連續(xù)的。

a.分配

#include 
void *kmalloc(size_t size, int flags)

size是要求分配的內(nèi)存的大小

kmalloc的參數(shù)flags可以控制kmalloc分配時的行為。和alloc_page時使用的標志是一致的。注意，kmalloc不能分配高端內(nèi)存

b.釋放

#include 
 void kfree(const void *ptr);

如果要釋放的內(nèi)存已經(jīng)被釋放了，或者釋放屬于內(nèi)核其他部分的內(nèi)存，則會產(chǎn)生嚴重的后果。調(diào)用kfree(NULL)是安全的。

要注意！內(nèi)核只能分配一些預定義的，固定大小的字節(jié)數(shù)組。kmalloc能處理的最小內(nèi)存塊是32或64。由于kmalloc分配的內(nèi)存在物理上連續(xù)，所以有分配上限，通常不要超過128KB。

(4)通過vmalloc獲得內(nèi)存

vmalloc()分配的內(nèi)存虛擬地址是連續(xù)的，但物理地址不需要連續(xù)。這也是malloc()的分配方式。vmalloc分配非連續(xù)的內(nèi)存塊，再修改頁表，把內(nèi)存映射到邏輯空間連續(xù)的區(qū)域內(nèi)。

大多數(shù)情況下，只有硬件設備需要得到物理地址連續(xù)的內(nèi)存，內(nèi)核可以使用通過vmalloc獲得的內(nèi)存。但內(nèi)核中多采用kmalloc，這主要是考慮性能，因為vmalloc會引起較大的TLB抖動，除非映射大塊內(nèi)存時采用vmalloc。例如模塊動態(tài)加載時，就是加載到通過vmalloc分配的內(nèi)存。

vmalloc在聲明，在定義，用法和malloc()相同。

 void* vmalloc(unsigned long size);
 void vfree(void *addr);

vmalloc會引起睡眠  

(5)通過slab機制獲得內(nèi)存

分配和釋放數(shù)據(jù)結構是內(nèi)核最普遍的操作之一。

一種常用的方法是構建一個空閑鏈表，其中包含有可供使用的，已經(jīng)分配好的數(shù)據(jù)結構塊。

每次要分配數(shù)據(jù)結構就不用再申請內(nèi)存，而是直接從這個空閑鏈表中分配數(shù)據(jù)塊，釋放結構時將內(nèi)存還回這個鏈表。

這實際上是一種對象高速緩存(緩存對象).

linux針對這種要求提供了一個slab分配器來完成這一工作。

slab分配器要在幾個基本原則之間尋求平衡：

• *頻繁使用的數(shù)據(jù)結構會頻繁分配和釋放，需要緩存

• *頻繁分配和回收必然導致內(nèi)存碎片，為避免這一現(xiàn)象，空閑鏈表中的緩存會連續(xù)存放，從而避免碎片

• *分配器可以根據(jù)對象大小，頁大小和總的高速緩存大小來進行優(yōu)化

kmalloc就建立在slab之上。

a.創(chuàng)建一個新的高速緩存

#include 
struct kmem_cache *kmem_cache_create(
   const char *name, 
   size_t size,
   size_t align,
   unsigned long flags,
   void(*ctor)(...));

name: 高速緩存的名字。出現(xiàn)在/proc/slabinfo
size: 緩存中每個元素的大小
align: 緩存中第一個對象的偏移，常用0
flags:分配標志。常用SLAB_HWCACHE_ALIGH，表明按cache行對齊,見slab.h

b.銷毀高速緩存

#include 
void kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

必須在緩存中的所有對象都被釋放后才能調(diào)用。

c.從高速緩存中獲得對象

void *kmem_cache_alloc(
   struct kmem_cache *cachep, int flags);
flags:
   GFP_KERNEL

d.將對象釋放回高速緩存

void kmem_cache_free(
   struct kmem_cache *cachep, void *objp);

可參見kernel/fork.c

(6)高端內(nèi)存的映射

在高端內(nèi)存中的頁不能永久地映射到內(nèi)核地址空間，因此，通過alloc_pages()函數(shù)以__GFP_HIGHMEM標志獲得的頁不可能有虛擬地址。需要通過函數(shù)為其動態(tài)分配。

a.映射

要映射一個給定的page結構到內(nèi)核地址空間，可以使用：

void *kmap(struct page *page);

函數(shù)可以睡眠

b.解除映射

void kunmap(struct page* page);

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